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1 引言
大容量蓄電池在工業、交通、電信、國防等部門中的應用越來越廣。一般蓄電池出廠時必須進行“三充兩放”和容量校核，用戶在使用過程中也必須通過定期的充放電消除極化效應，合理地進行蓄電池充放電對蓄電池的管理至關重要。目前常規的蓄電池維護大部分采用充電器、放電器兩套設備，放電時以純電阻為負載，大量的電能轉變成熱能而浪費了；在對蓄電池集中充電時，充電人員要對多臺充電機不斷地巡視、記錄、調整各臺充電機的充電參數，勞動強度大且易出差錯。針對這些場所充電機比較集中的特點，有必要研制開發集散式蓄電池充放電智能控制系統。
2 系統總體設計
圖1 系統總體結構框圖
解決大批量大容量蓄電池的充放電問題，采用集散式系統結構是一種較好的辦法。集散式的系統采用一臺帶有CAN總線接口適配卡的PC機作為上位機，用于整個系統的監控和信息管理；現場控制節點是結構相同的智能充放電電源，數據采集及單片機控制電路充當控制單元；CAN總線網絡作為通信媒介，通信介質可采用雙絞線，負載連接在CANH和CANL之間，終端匹配阻抗值為信號的特征阻抗值，約為120Ω，系統總體結構如圖1所示。集散控制網絡上傳送的信息主要有：PC機發送給各智能充放電電源的控制命令和數據，現場各充放電電源送給PC機的自身狀態和數據。
2.1 智能充放電電源硬件結構
集散控制系統的核心是智能充放電電源，其硬件結構主要包括主電路和控制電路。
(1) 主電路
主電路采用了晶閘管三相全控橋，能同時滿足整流器和有源逆變器的功能，結構如圖2所示。在整流狀態，蓄電池組通過直流接觸器和全控橋同向并聯，交流電源經可控整流后向電池負載充電；在有源逆變狀態，蓄電池組反接，存儲在蓄電池內的化學能轉換成電能，釋放到交流電網上，從而節約了大量能源。主變壓器采用 Δ/Y接法。為減小換相重疊角，提高有源逆變的可靠性，變壓器的漏感要盡量小。由于工作環境的限制，噪聲和溫升都不能太高。
圖2 智能充放電電源主電路
(2) 控制電路
以單片機為核心的充放電電源控制電路結構框圖如圖3所示。與一般的充電機相比，它能充分發揮單片機的優勢，通過修改程序改變充電方式，不斷優化充電算法；還可以對不同的電池、不同的使用階段采用自適應控制技術，使應用范圍更加廣泛。在硬件結構上，充放電參數的現場檢測單元、單片機自適應調節控制電路以及晶閘管觸發電路是保證充放電控制算法實現的關鍵，本系統采用Intel 80C196單片機作為主控單元，以鎖相環PLL為基本控制原理的CA6100晶閘管通用觸發板作為中間緩沖環節，完成單個節點充放電電源的智能控制。
圖3 智能充放電電源控制框圖
① 單片機控制電路
單片機控制電路以INTEL80C196KC為核心，包括現場充放電參數檢測及A/D轉換單元、總線通信單元、鍵盤、液晶顯示報警單元、過壓過流保護單元等。現場采集的蓄電池充放電電壓、電流、溫度等模擬量經緩沖、隔離電路后，進入80C196KC的A/D轉換口，由單片機定時采樣并完成A/D轉換；單片機將A/D轉換后的數據與設定參數進行比較和數字計算，由高速輸出口HSO完成PWM輸出，經隔離、整形、濾波處理后送出0~5V的調節信號給6100觸發板，從而實現晶閘管輸出脈沖移相范圍0~180°可調。
現場參數主要包括蓄電池組的充放電電壓、電流、蓄電池在充放電過程中的溫升等現場數據，檢測的關鍵是處理好強弱電的隔離問題，采用繼電器、霍爾傳感器、溫度繼電器等器件能夠較好地實現主電路和控制電路的隔離，避免產生干擾和發生危險；由于CAN總線是為分布式系統在強電磁干擾環境下可靠工作而設計的一種串行通信網絡，只用兩根導線，容易實現冗余設計，從適用性、可靠性和低成本的角度考慮，系統中筆者選擇CAN總線來構成底層通信網絡，所以總線通信單元采用PHILIPS半導體公司的SJA1000獨立CAN控制器和PCA82C250CAN收發器；鍵盤和液晶顯示單元采用北京青云創新科技發展有限公司的液晶顯示模塊LCM320240ZK和簡易鍵盤，用于顯示各智能檢測節點單元發送來的現場數據、選擇蓄電池充放電工作方式、向單片機發送調節控制命令并對蓄電池狀態進行故障診斷、鎖定和報警，通過鍵盤和液晶還可上、下、前、后翻屏查看監控信息（充放電電源狀態、蓄電池狀態、充放電曲線等）和更改系統參數設置（電壓、電流閾值、溫度補償系數等）。
② 晶閘管觸發系統
有源逆變容易發生逆變顛覆，而造成逆變失敗的因素大多和觸發系統直接相關，晶閘管觸發系統在蓄電池充放電電源中的作用很關鍵。本系統采用CA6100晶閘管通用觸發板，其基本原理如圖4所示。該系統利用鎖相環技術進行相位跟蹤和控制，采用EDA工藝，將核心的邏輯控制單元如VCO、計數器、相序檢測器、鑒相器、脈沖邏輯控制電路等集成在一片ASIC芯片中，增強了系統的抗干擾能力和可靠性；輸出脈沖具有高均衡對稱性和強觸發特性。0～5V的直流輸入控制信號，通過緩沖放大后加入鎖相環路，能夠使輸出脈沖移相范圍在0~180°之間可調；另外該系統還具備一些輔助功能，如交流缺相自動禁止、軟起停、快起停、相序自動測控核對，不需同步變壓器，亦不需要附加連線，能夠自動同步等。由于是強觸發、高抖度（>1A/μs），所以對六只晶閘管的一致性要求并不太高。實驗表明，該觸發板觸發脈沖均勻、可靠性高、抗干擾性好，非常適合于充放電設備的控制。
圖4 CA6100觸發板原理框圖
3 軟件設計
系統的軟件由兩部分組成：上位機PC機軟件和節點單元軟件。PC機軟件在WINDOWS環境下用組態軟件產生友好的人機界面，實時讀取各節點單元所傳送的數據，拼裝后在畫面上顯示，通過畫面能及時了解各充放電電源的工作特性、工作狀態，對不符合要求的電源發出報警信號，以便及時處理，找出蓄電池組的最佳工作點，保證電源的正常工作，提高蓄電池組充放電的工作效率。節點單元軟件包括自檢程序、多路A/D轉換濾波處理程序、智能調節控制程序、LCD顯示程序和通信程序等模塊，采用匯編語言編寫，仿真調試脫機模擬后固化于EPROM內。
4 常用充電方法分析
目前對蓄電池充電的方法基本分為常規充電法和快速充電法。
(1) 常規充電法
一般來說，常規充電法有以下幾種：恒流充電法是用調整充電裝置輸出電壓或改變蓄電池串聯電阻保持充電電流不變的充電方法，其控制方法簡單，但由于電池的可接受電流能力隨著充電的進行而下降，充電后期充電電流多用于電解水，產生氣體嚴重。恒壓充電法是充電電源的電壓在整個充電過程中保持恒定，隨著蓄電池端電壓的升高電流逐漸減小，但存在充電初期蓄電池電動勢較低，充電電流很大等問題，容易造成蓄電池極板的彎曲，使電池報廢。階段充電法結合了恒流、恒壓充電的優點，可以先恒流充電到預定值再改為恒壓充完剩余的過程，可以將析氣量大大減小，常用的有二階段、三階段充電法等。
(2) 快速充電法
快速充電法近幾年有所發展，它是圍繞馬斯提出的最佳充電曲線設計，比較流行的有脈沖式充電法、Reflex快速充電法、變電流間歇充電法、變電壓間歇充電法、波浪式間歇正負零脈沖快速充電法等。快速充電法對于車載蓄電池等需要快速充電的場合有一定的現實意義，但實際上最佳充電曲線也是受很多因素影響的非線性曲線，有很大的不確定性，在實際工作中，要找到這條充電曲線是很困難的，即便找到了也會因為蓄電池在使用過程中的特性不斷發生變化而不適應，所以依據這條曲線作為數學模型的充電控制相對復雜。
(3) 自適應智能充電法
圖5 自適應智能充電曲線
根據蓄電池的充電特性，以提高充電效率，延長電池壽命和實現快速充電等為目的，參考蓄電池的最佳接收特性，以大量的試驗為基礎，在此提出自適應智能充電法，其充電曲線如圖5所示。在充電的第一階段，用t1的時間進行小電流充電，單片機通過對充電電流、電壓以及溫度等參數的檢測，就電池的好壞與荷電狀態作出判斷，決定下一步的充電電流Im1的大小。隨后，以Im1的電流進行充電，單片機繼續檢測充電電流、電壓、溫度等參數，進一步作出綜合判斷，決定t2和Im2的大小。依此類推，直至電池充滿自動關閉電源。需要強調指出的是，這一充電曲線不是固定不變的，它是分段恒流充電思想的延伸，實現的關鍵在于閉環控制過程的自適應能力。在充電的任何階段，單片機都能根據所檢測到的電流、電壓、溫度等參數值及其變化趨勢給出蓄電池所能接受的最大充電電流Im1、Im2……，實現快速充電。這里Im1、Im2……的確定是關鍵，除了參考蓄電池的最佳接受特性曲線外，還需要進行大量的試驗。為提高安全性、可靠性，在軟件設計上必須增加故障診斷功能，設置極限參數。同時，由于充電電流、電壓、溫度等是決定充電曲線的基本參數，其正確與否直接影響到充電效果和充電的安全性，所以軟件設計中還必須考慮當傳感器出現故障時的自我保護和報警。
5 結語
這種集散式充電控制系統控制可靠，充電效率高，組態靈活，既能單臺使用，又可以大規模集群使用，應用場合廣泛，同時解決了大批量、大容量蓄電池的快速充電問題。該系統經現場鑒定，從出廠實驗到現場應用已一年有余，充放電工作正常，為以后大容量蓄電池組充放電設備的生產奠定了較好的基礎。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號